MECANICA DE FLUIDOS

DISEÑO DE CANALES NO EROSIONABLES

PARA FLUJO UNIFORME

Básicamente los canales abiertos se pueden clasificar en dos tipos según su

origen, es decir naturales y artificiales. Los canales artificiales a su vez se

pueden clasificar en no erosionables (canales revestidos) y erosionables

(canales de tierra). Además, dependiendo de la topografía, del tipo de suelo y

de las velocidades de flujo, los canales pueden ser excavados o revestidos. En

realidad el flujo que circula por un canal abierto es casi siempre flujo No

uniforme y No permanente, sin embargo solucionar las ecuaciones que rigen

este tipo de comportamiento del flujo es poco practico y a no ser en casos

especiales para el diseño de canales se emplean fórmulas empíricas para flujo

uniforme, que proporcionan una aproximación suficiente y útil para el diseño.

 La mayoría de los canales terminados y construidos pueden resistir la erosión

satisfactoriamente y se consideran entonces no erosionables. Los canales sin

terminación son generalmente erosionables, excepto aquellos excavados en

fundaciones firmes tales como un lecho rocoso. Al diseñar canales no

erosionables, tales factores como la máxima velocidad permitida y la fuerza

atractiva permitida no son los criterios considerados.

 El diseñador simplemente calcula las dimensiones del canal con una fórmula

de flujo uniforme y entonces decide las dimensiones finales sobre la base de

eficiencia hidráulica, o reglas empíricas de la mejor sección, practicabilidad y

economía. Los factores a ser considerados en el diseño son: la clase de

material que forma el cuerpo del canal, el cual determina el coeficiente de

rugosidad; la velocidad mínima permitida, evitar depósitos si el agua lleva limo

o desperdicios; la pendiente del fondo del canal y las pendientes laterales; la

altura libre; y la sección más eficiente, sea determinada hidraulicamente o

empíricamente. Los canales revestidos permiten velocidades altas, disminuyen

las filtraciones y requieren de secciones transversales más reducidas que otro

tipo de canales como los excavados etc.

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Sin embargo, su costo y su duración dependen de la calidad del revestimiento y

del manejo adecuado que se le dé a las aguas subsuperficiales. Los materiales

de revestimiento pueden ser arcilla, suelo-cemento, ladrillo, losas de concreto

simple o reforzado, piedra pegada, etc.Material no erosionable y su

terminación. Los materiales no erosionables usados para formar la

terminación de un canal y el cuerpo de un canal construido incluyen hormigón,

piedra trabajada, acero, fundición, madera, vidrio, plástico, etc. La selección

del material depende principalmente de la disponibilidad y costo del material,

del método de construcción y del propósito para el cual va a ser usado el canal.

El propósito de terminar o revocar un canal es en la mayor parte de los casos

para prevenir la erosión, pero ocasionalmente puede ser para checar las

perdidas de filtración. En canales terminados, la máxima velocidad permitida,

por ejemplo, el máximo que no causara erosión, puede ser ignorado, provisto

que el agua no lleva arena, gravilla, o piedras.

 

La velocidad mínima permitida. La velocidad mínima permitida, o la

velocidad no depositante, es la más baja velocidad que no iniciara

sedimentación y no inducirá el crecimiento de plantas acuáticas y musgo. Esta

velocidad es muy incierta y su valor exacto no puede ser fácilmente

determinado. Para el agua que no lleva carga de limo o para el flujo sin limo,

este factor tiene poca significación excepto por su efecto sobre el crecimiento

de las plantas. Generalmente hablando, una velocidad media de 2 a 3 fp/s

prevendrá un crecimiento de vegetación que disminuirá seriamente la

capacidad de arrastre del canal.

 

Pendiente del canal. La pendiente longitudinal del fondo de un canal esta

gobernada generalmente por la topografía y la carga de energía requerida

para el flujo de agua. En muchos casos, la pendiente puede depender también

del propósito del canal. Por ejemplo, los canales utilizados para propósitos de

distribución de agua, tales como los usados en irrigación, suministro de agua,

excavación hidráulica, y proyectos de hidropotencia, requieren un nivel alto en

el punto de entrega; entonces, una pequeña pendiente es deseable con el

objeto de mantener a un mínimo la perdida en elevación. Las pendientes

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laterales de un canal dependen principalmente de la clase de material; el

cuadro 1 da una idea general de las pendientes aconsejables para su uso con

varias clases de materiales. Para material erosionable, sin embargo, una

determinacion más segura de las pendientes debiera ser controlada contra el

criterio de velocidad máxima permitida o por el principio de fuerza tractiva.

Otros factores a ser considerados al determinar pendientes son los métodos de

construcción, la condición de las perdidas de filtración, cambios climáticos,

tamaño del canal, etc. Generalmente las pendientes laterales deberían ser

hechas tan empinadas como practicables y deberían ser diseñadas para una

alta eficiencia hidráulica y estabilidad. Para canales revestidos, el U.S Bureau

of Reclamation ha estado considerando la estandarización con una pendiente

de 1.5:1 para los tamaños usuales de canales. Una ventaja de esta pendiente

es la que es suficientemente plana para permitir el uso practico de casi todo

tipo de revestimiento o tratamientos de terminación ahora o en el futuro

anticipado por el Bureau.

 

CUADRO 1 ( Pendientes laterales aconsejables para canales construidos con varias

clases de materiales).

Materiales Pendientes laterales

Roca………………………………………………………………. Casi vertical

Estiércol y suelos de turba……………………………………… ¼ : 1

Arcilla dura o tierra con protección de hormigón…………….. ½ : 1 a 1 :1

Tierra con protección rocosa, o tierra para canales grandes.. 1 :1

Arcilla firme o tierra para zanjas pequeñas………………… … 1 ½ :1

Tierra arenosa suelta……………………………………………. 2 :1

Greda arenosa o arcilla porosa………………………………… 3 :1

 

Altura libre. La altura libre de un canal es la distancia vertical desde la parte 

superior del canal a la superficie del agua en la condición de diseño. Esta

distancia debería ser suficiente para prevenir que las olas o fluctuaciones en la

superficie del agua desborde los lados. Este factor se hace importante

particularmente en él diseño de canaletas elevadas, ya que la subestructura de

la canaleta puede ser dañada por cualquier desborde.

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No existe una regla aceptada universalmente para la determinación de la altura

libre, ya que la acción de la ola o de la fluctuación de la superficie del agua en

un canal puede ser creada por muchas causas incontrolables. Olas

pronunciadas y fluctuaciones de la superficie del agua son generalmente

esperadas en canales donde la velocidad es tan alta y la pendiente tan

pronunciada que el flujo se hace muy inestable, o en curvas donde la alta

velocidad y un ángulo de inflexion grande puede causar apreciable

sobreelevada superficie del agua en el lado convexo de una curva, o en

canales donde la velocidad del flujo se aproxima al estado critico al cual el

agua puede fluir a profundidades alternas y así saltar de un nivel bajo a un

nivel alto a la menor obstrucción. Otras causas naturales tales como él

movimiento del viento o acción de la marea pueden también inducir olas altas

y requieren consideración especial en el diseño. La altura libre en un canal sin

revestir o lateral, normalmente será gobernada por las consideraciones de

tamaño del canal y ubicación, el flujo entrante de aguas de lluvia, y

fluctuaciones del nivel del agua causadas por controles, acción del viento,

características del suelo, gradiente de percolacion, requerimientos de

operación de caminos y disponibilidad del material excavado. De acuerdo a la

U.S Bureau of Reclamation (4), el rango aproximado de alturas libres

frecuentemente utilizado se extiende desde 1 ft para laterales pequeños con

profundidades bajas hasta 4 ft en canales de 3000 cfs o más capacidad con

profundidades de agua relativamente grandes. El Bureau recomienda que

estimados preliminares de la altura libre requeridos bajo condiciones ordinarias

sean hechos de acuerdo a la siguiente formula: 

 

F = ( Cy )1/2

 

Donde:

F = altura libre en ft,

y = profundidad del agua en el canal en ft,

C = coeficiente variando desde 1.5 para una capacidad del canal

de 20 cfs hasta 2.5 para una capacidad del canal de 3000 cfs

o más.

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Para canales revestidos o laterales, la altura del revestimiento sobre la

superficie del agua dependerá de un numero de factores: tamaño del canal,

velocidad del agua, curvatura del alineamiento, condición de los afluentes de

agua de lluvia o drenajes, fluctuaciones en el nivel de agua debido a la

operación de las estructuras de regulación del flujo, y acción del viento.

La mejor sección hidráulica. Es conocido que el transporte de la sección de

un canal aumenta con el aumento en el radio hidráulico o con la disminución en

el perímetro mojado. Desde un punto de vista hidráulico, entonces, la sección

del canal teniendo el menor perímetro mojado para una área dada tiene el

transporte máximo; tal sección es conocida como la mejor sección hidráulica.

El semicírculo tiene el menor perímetro entre todas las secciones con la misma

área; de aquí entonces que es la más eficiente hidraulicamente de todas las

secciones.

Los elementos geométricos de las seis mejores secciones hidráulicas se han

agrupado en el cuadro 7.2, pero estas secciones puede que no siempre sean

practicas debido a las dificultades en la construcción y en el uso del material.

Desde un punto de vista practico, debiera destacarse que una mejor sección

hidráulica es la sección que da la mínima área para una descarga dada pero no

necesariamente la excavación mínima.

CUADRO 2 : Las mejores secciones hidráulicas

Sección transversal

Área mojada

A

Perímetro mojado

P

Radio hidráulico

R 

Ancho superior

T

Profundidad hidráulica

D

Factor de sección

Z

Trapecio: medio

hexágono31/2y2 2*31/2 y ½ y (4/3)*31/2y ¾ y 3/2 y2.5

Rectángulo: medio

cuadrado2 y2 4 y ½ y 2 y y 2 y2.5

Triángulo: medio

cuadradoy2 2*21/2y (¼)21/2y 2 y ½ y (21/2 /2)y2

Semicírculo Õ(/2)y2 Õy (½)y 2 y Õ(/ 4)y Õ(/ 4) y2.5

ParábolaT= 2* 21/2y

(4/3)21/2 y (8/3) 21/2 y ½ y 2*21/2 y (2/3) y (8/9)31/2 y

Catenaria hidrostática

1.39586y2 2.9836y 0.46784y 1.917532y 0.72795y 1.19093y2

 

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Determinación de las dimensiones de la sección. La determinación de las

dimensiones de la sección para canales no erosionables incluye los siguientes

pasos:

Recoger toda la información necesaria, estimar n, y seleccionar S.

Computar el factor de sección AR2/3 con la siguiente ecuación:

AR2/3 = n Q/1.49 S1/2

 

Sustituir en esta ecuación las expresiones para A y R obtenidas del

cuadro, y resolver para la profundidad. Si hay otras incógnitas, tales

como b y z de una sección trapezoidal, entonces se asume los valores

de las incógnitas y se resuelve la ecuación para la profundidad.

Asumiendo varios valores de las incógnitas, se pueden obtener un

numero de combinaciones de las dimensiones de la sección. Las

dimensiones finales se deciden sobre la base de eficiencia hidráulica .

Si se requiere directamente la mejor sección hidráulica, sustituir en la

anterior ecuación las expresiones para A y R obtenidas del cuadro 7-2 y

resolver para la profundidad. Esta mejor sección hidráulica se puede

modificar por la experiencia del proyectista. 

Para el diseño de canales de irrigación, la sección del canal es a veces

proporcionada por reglas empíricas tales como la regla simple dada por

el antiguo U.S Reclamation Service para el suministro de la altura total

de agua en pies.

Y = 0.5 A1/2  ; donde A es el área en ft2 ( pies2 )

Para una sección trapezoidal se puede mostrar que esta regla se puede

también expresar por una formula simple X = 4 – z ; Donde x es la

relación ancho-profundidad b/y y z es la proyección horizontal de la

pendiente lateral correspondiendo a 1 ft vertical. Similarmente, los

ingenieros de la India han usado la fórmula empírica y = ( A/3 )1/2 =

0.577 A1/2 , la cual es equivalente a x = 3 – z para secciones

trapezoidales.

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Controlar la velocidad mínima permitida si el agua lleva limo. 

Agregar una altura libre apropiada, a la profundidad de la sección del

canal

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